Vật lý thực phẩm (food physics)

VẬT LÝ THỰC PHẨM
(Food Physics) 
CBGD: Dương Văn Trường
Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm
Đại học Công nghiệp TP HCM
Email: duongvantruong@iuh.edu.vn hoặc
duongvantruong1510@gmail.com
DT : 0904 374 160 
Nội dung chương trình
Chương 1: Hoạt độ nước
Chương 2: Các thông số vật lý và tính chất của thực
phẩm
Chương 3 : tính chất bề mặt của thực phẩm
Chương 4: Các tính chất lưu biến của thực phẩm
Chương 5 : Tính chất nhiệt, điện của thực phẩm
Tài liệu tham khảo
• Bài giảng VLTP : 
https://sites.google.com/site/duongvantruong1510/cong-nghe-
thuc-pham/vat-ly-thuc-pham
• Wilhelm, Luther R., Dwayne A. Suter, and Gerald H. Brusewitz. 
2004. Physical Properties of Food Materials. Chapter 2 in Food & 
Process Engineering Technology, 23-52. St.
• James F. Steffe, 1996, Reological methods in food process 
engineering (second edition), Freeman Press, USA. 
• Jasim Ahmed Hosahalli S. Ramaswamy, Stefan Kasapis Joyce I. Boye,
Novel Food Processing (Effects on Rheological and Functional 
Properties), CRC Press 
• Physical Chemistry of Foods
TÀI LIỆU THAM KHẢO
(References)
[1].Andrew J. Rosenthal (1999). Food Texture Measurement and 
Perception. ISBN 0-8342-1238-2, Aspen Publishers, Inc., Printed in the 
United States of America
[2]. Ignacio Arana (2012). Physical Properties of Foods- Novel 
Measurement Techniques and Applications. CRC Press. ISBN -13: 978-1-
4398-3537-1 
[3]. Ludger Figura and Arthur A. Teixeira (2007). Physics Food. ISBN 978-3-
540-341918, Springer- Verlag Berlin – Heidelberg.
[4]. Tharwat F. Tadros (2005). Applied Surfactants- Principles and 
Applications. ISBN-13: 978-3-527-30629-9, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. 
KGaA, Weinheim.
[5]. Serpil Sahin and Servet Gülüm Sumnu (2006). Physical Properties of 
Foods. ISBN-13: 978-0387-30780-0, Springer, Printed in the United 
States of America.
Tại sao phải nghiên cứu tính chất vật lý của thực phẩm?
- Phân tích thiết 
bị 
- XD hệ thống 
thiết bị phù 
hợp
Mục đích
Thay đổi của quá 
trình chế biến: biến 
đổi cơ học, nhiệt, 
điện, quang, âm và 
điện từ
TP có nguồn gốc sinh 
học : tươi sống hoặc 
qua chế biến 
ỨNG DỤNG CỦA CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ
(Physical Properties Applications)
• xác định, lượng hóa việc mô tả 
vật liệu thực phẩm
• cung cấp dữ liệu cho ngành kỹ 
thuật thực phẩm
• tiên đoán tính chất của vật liệu 
mới từ đó đa dạng hóa thực 
phẩm
CHƯƠNG 1: HOẠT ĐỘ NƯỚC 
Các dạng liên kết của nước trong thực
phẩm
• Nước tự do 
• Nước liên kết hóa lý : liên kết hydrogen hay 
tương tác tĩnh điện
• Nước liên kết hóa học
Độ ẩm của thực phẩm
1. Wet basic (wb)
2. Dry basic (db)
water
Dry 
matter
20 g
80 g
wb = 20%
db = 25%
Bài tập
1. Xác định độ ẩm khô và độ ẩm ướt của cà
phê nhân khi sấy 5 g bột ở 105 độ C đến khối
lượng không đổi là 3 g. 
Các dạng phương trình thể hiện hấp
phụ hơi nước trong thực phẩm
• Hơi nước – áp suất hơi nước
• Cân bằng ẩm : 
– Quá trình di chuyển ẩm dựa vào chênh lệch áp
suất của hơi nước bên trong và bên ngoài
– Cân bằng ẩm là gì (cân bằng pha lỏng hơi)
Các dạng cân bằng ẩm của thực phẩm
19
ThuyÕt hÊp phô
-®é hÊp phô: lµ lîng chÊt bÞ hÊp phô ®îc hÊp
phô trªn mét gam chÊt hÊp phô :m, g/g, kg/kg
-®é hÊp phô phô thuéc vµo hai yÕu tè bªn
ngoµi lµ nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt riªng phÇn (nång
®é) cña chÊt bÞ hÊp phô
m = f(t,p) ®èi víi chÊt khÝ
m = f(t,C) ®èi víi chÊt láng
NÕu ta gi÷ cho t= const th× m = f(p) ®èi víi chÊt
khÝ, m = f(C) ®èi víi chÊt láng
Khi nång ®é thay ®æi th× p riªng phÇn cña
chÊt bÞ hÊp phô còng thay ®æi --> ®é hÊp
phô m thay ®æi
20
+ ph¬ng tr×nh biÓu diÔn mèi quan hÖ gi÷a
m vµ p hoÆc nång ®é C gäi lµ ph¬ng tr×nh
®¼ng nhiÖt hÊp phô.
§êng cong biÓu thÞ cho ph¬ng tr×nh m vµ p
hoÆc C gäi lµ ®êng cong ®¼ng nhiÖt hÊp
phô
VÝ dô m
Kg/kg
P, mmHg
21
ThuyÕt hÊp phô Langmuir
Néi dung:
 Nguyªn nh©n cña hÊp phô lµ sù cã mÆt nh÷ng
ho¸ trÞ kh«ng b·o hoµ ë trªn bÒ mÆt chÊt hÊp phô
khÞ hÊp phô cã t¸c dông cña lùc ho¸ trÞ mµ sinh ra
hîp chÊt ho¸ häc
 Kho¶ng t¸c dông cña lùc ho¸ trÞ rÊt ng¾n
 Qu¸ tr×nh hÊp phô x¶y ra ë nh÷ng t©m hÊp phô
chø kh«ng x¶y ra ë toµn bÒ mÆt hÊp phô
Langmuir ®· x©y dùng c«ng thøc :- m : khối lượng chất hấp phụ, kg 
-mmax : khoi lượng chất hấp phụ tối đa, kg 
-P : áp suất riêng phần của hơi nước
- b : hệ số phương trình
• Tương đương
Y = c + a .x 
Trong đó y = 1/m và x = 1/p
Khi đó hệ số góc a = b/mmax và c= 1/mmax
23
1/p
1/m
max
1
m
• Hoạt độ nước
• Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt độ nước
• Mô hình BET
• ứng dụng của mô hình BET
• Bài tập
Khái niệm hoạt độ nước (aw) 
 Nước trong thực phẩm tạo nên một áp suất hơi
• Độ lớn của áp suất hơi tuỳ thuộc vào:
- lượng nước hiện diện,
- nhiệt độ và nồng độ chất tan (muối, đường) trong nước.
• Trong thực phẩm, aw là tỷ số giữa áp suất hơi riêng phần của
nước cân bằng trong thực phẩm với áp suất hơi nước riêng phần
bão hòa của hơi nước trong không khí ở cùng một nhiệt độ
• Hoạt độ nước, aw xác định như sau:
aw = pw /pws (0  1)
Khái niệm  Tỷ số của áp suất riêng phần của nước với áp suất
hơi nước ở cùng nhiệt độ. Nó được thể hiện bằng
phần trăm
Với: Xw - phần mole của hơi nước
Xws - phần mole của hơi nước bão hòa
 Độ ẩm tương đối của không khí ở trạng thái cân bằng với TP:
aw = % ERH / 100
ERH =
pw
pws
x 100 % =
xw
xws
x 100 %
aw = 0 (khô tuyệt đối) và aw= 1.00 (nước tinh khiết).
* Thể hiện ở dạng thập phân của độ ẩm tương đối cân
bằng (ERH) của vật chất
* Nghĩa là, một mẫu có độ họat động là 0,91 thì tương
ứng với (ERH) đọc được là 91% 
Ví dụ:
Ví dụ một số hoạt độ nước của thực
phẩm
Overview
• Physical part
– Effect of temperature
– Effect of pressure
• Chemical part
– Effects of solutes
– Effects of hydrophilic solids
• Combining to get water potential
– Potential to do “work” (push, move)
Change Water Activity
• Increase
– ↑ temperature
– ↑ pressure
• Decrease
– ↓ temperature
– ↓ pressure
– add solutes
• More solutes = more effect
• But we are still focusing on water 
activity, not solute activity
The typical water activity of some foodstuffs
Type of product Water Activity (aw)
Fresh meat and fish .99
Bread .95
Aged cheddar .85
Jams and jellies .8
Plum pudding .8
Dried fruit .6
Cookies .3
Milk powder .2
Instant coffee .2
Undissolved solute
Multicomponent Foods
• Cheese and crackers
• Baked products and filling
• Cereal and fruit
• Yogurt and cereal
• Ice cream and cone
Phương trình BET
Với
Tính được giá trị của hằng số BET (C) và lượng nước đơn phân xW,a
Suy ra:
Và lượng nước đơn phân (xW,a) là:
W
aWaWW
W
W
a
Cx
C
Cxa
a
x
.
.
1
.
1
1
.
1
,,
(1.3)
Cx
C
a
aW .
1
,
Cx
b
aW .
1
,
 ,
11 
b
a
ChayC
b
a
ba
b
a
b
x aW
1
)1.(
1
, (1.4)
W
W
W a
a
x 1
.
1
aW
Bảo quản bằng phương pháp
vật lý và hoạt độ nước aw
* Cung cấp một cơ chế bảo quản mà không có việc bổ sung các
chất bảo quản kháng vi sinh vật
* Được công nhận như một phương tiện để giải thích các
phương pháp bảo quản khác nhau mà nhà sản xuất đã sử dụng
trong công nghiệp thực phẩm
- Evaporation (cô đặc)
- Drying (sấy)
- Freezing (lạnh đông)
- Syruping (ướp đường) 
- Salting (ướp muối) 
- Brining (ngâm trong nước muối)
Xác định đường đẳng nhiệt hấp thu
* Để mẫu vật trong buồng kín hay bình hút ẩm (a closed 
champer) (tạo độ ẩm tương đối khác nhau) để có hiện
tượng hấp thu hay bay hơi nước. Dưới đáy bình có chất
hút ẩm chuẩn (humidity standard).
* Sau thời gian khi hoạt độ nước của mẫu và áp suất trong bình cân bằng 
(mẫu không thu hay hút ẩm, cân nhiều lần đến khi khối lượng không đổi) ta 
tiến hành xác định hàm lượng ẩm (db).
Moisture Sorption Isotherm
aw
M
o
is
tu
re
 c
o
n
te
n
t 
(d
.w
.b
.)
Moisture Sorption Isotherm
aw
M
o
is
tu
re
 c
o
n
te
n
t 
(d
.w
.b
.)
Temperature Dependency
aw
M
o
is
tu
re
 c
o
n
te
n
t 
(d
.w
.b
.)
cold
hot
M
o
is
tu
re
 c
o
n
te
n
t 
(d
.w
.b
.)
Sorption and Desorption
desorption
sorption
Moisture Sorption Isotherms
• Highly product specific (physical and chemical 
structure)
• Highly temperature dependant
• Show sorption/desorption hysteresis
• Affect both physical/chemical reactivity of the 
food and the dynamics of water transport
Reaction Rates and Water Activity
aw
M
o
is
tu
re
 c
o
n
te
n
t 
(d
.w
.b
.)
lo
g 
(R
A
TE
)
Microbial growth
Texture Changes
M
o
is
tu
re
 c
o
n
te
n
t 
(d
.w
.b
.)
Soft
Crispy/crunchy
0.2-0.5
Powder Changes
M
o
is
tu
re
 c
o
n
te
n
t 
(d
.w
.b
.)
Agglomerated
Free flowing
~0.4
Dynamics of Moisture Exchange
aw
M
o
is
tu
re
 c
o
n
te
n
t 
(d
.w
.b
.)
Moisture Sorption Isotherm
aw
M
o
is
tu
re
 c
o
n
te
n
t 
(d
.w
.b
.)
Moisture Sorption Isotherm
Bảng 1.3. Các chất chuẩn dùng xác định aw
Bảng. Hoạt độ nước của dd H2SO4 ở các nồng độ và nhiệt độ khác nhau
Bảng . Các giá trị hoạt độ nước của dd Glycerol 
ở nhiệt độ 200C
Ảnh hưởng của chất tan đối với sự thay đổi aw
Theo Raoult´s Law: aw bằng tỷ lệ phần mol của nước trong dd
- Với chất tan không điện ly:
- Với chất tan điện ly:
Xw: tỷ lệ khối lượng; M: Khối lượng phân tử
w: nước s: chất rắn : mức độ ion hóa= số ion chất tan
W
S
S
WW
W
W
W
W
X
M
M
X
X
a
. 
 (1.5)
W
S
S
WW
W
W
W
W
X
M
M
X
X
a
.. 

(1.6)
VD 4
Dung dịch NaCl, sucrose hoặc các dung dịch gồm NaCl-
sucrose thường được sử dụng khử nước của khoai tây.
(a) Tính hoạt độ nước trong dung dịch sucrose 20%.
(b) Tính hoạt độ nước trong dung dịch NaCl 20%
(c) Tính hoạt độ nước trong dung dịch có chứa 10%NaCl và 
sucrose 10%.
(d) Theo bạn loại dung dịch nào sẽ có hiệu quả cao khi dùng 
khử nước của khoai tây có hoạt độ nước =0,942?
Cho M(NaCl)=58,44 kg/kg.mol; M(sucrose C12H22O11)=342 kg/kg.mol 
Macaroni into 2-cup 
microwavable cereal bowl. Add 
2/3 cup water.
Macaroni and water, 
uncovered, on HIGH 
3-1/2 to 4 minutes or 
until Macaroni is 
tender. DO NOT 
DRAIN. Some water 
remaining in bowl is 
desirable and 
necessary to make 
cheese sauce.
CAUTION: Bowl will be
Very Hot.
Cheese Sauce Mix; mix well. If 
cheese sauce appears thin, do not put 
back in microwave. Cheese sauce 
will thicken upon standing.
Raisin Bran
Did you know results from a recent in-home taste test with raisin bran users - like 
you - showed that our flakes are crispier than Kellogg's® Raisin Bran's and stay 
crispier longer in milk?
Whole wheat, raisins, wheat bran, sugar, 
high fructose corn syrup, salt, malt 
flavoring, niacinamide, reduced iron, zinc 
oxide, pyridoxine hydrochloride (vitamin 
B6), riboflavin (vitamin B2), thiamin 
hydrochloride (vitamin B1), vitamin A 
palmitate, folic acid, vitamin B12 and 
vitamin D. 
Shelf Life 12 Months
Kellogg's®
Humectants
• e.g.: sucrose, propylene glycol, glycerol
• Be careful of:
– Solubility, MW
– Flavor
– Crystallization on storage
– Chemical reactivity
– Toxicity
Điều chỉnh họat độ nước ?
Các chất có tác dụng làm giảm hoạt độ nước bao gồm
– Rượu đa chức (propylene glycol)
– Rượu đơn chức
– Đường (sorbitol, syrup bắp)
– Muối calci và natri
– Glyxerin
– Gums (xanthan)
– Các chế phẩm protein
 Một phần nước trong TP liên kết mạnh với các chất 
trên tại các vị trí đặc trưng 
VD 1
. Độ ẩm ban đầu (%wb) của Cheese va Bread lần lượt là 47 và 7. 
(a) Tính độ ẩm tương đối của không khí cân bằng của miếng cheese 
và Bread
(b) Nêu đặt bánh mì trong môi trường không khí 70% thì bánh mì sẽ 
hút ẩm hay nhả ẩm? Tính độ ẩm cân bằng tại thời điểm này? 
(c) Cho hàm lượng ẩm của Cheese và Bread tại các giá trị hoạt độ 
nước khác nhau như bảng sau. Hãy vẽ đường đẳng nhiệt hấp thu 
của Cheese và Bread theo BET
(d) Xác định giá trị Xw,a (lớp nước đơn phân) và C của cheese và 
bread.
Water activity
Moiture Content (%wb)
Cheese Bread
0,331 10 3,29
0,432 11 4,63
0,544 13 6,71
0,699 18 10,93
0,755 23 12,9
0,813 27 15,18
0,851 30 16,79
0,964 40 20,94
0,976 49 24,17